Het hele kwantumuniversum bestaat binnen één enkel atoom

🕒 Leestijd: 9 minuten

Door het heelal op atomaire schaal en kleiner te onderzoeken, kunnen we het hele standaardmodel onthullen, en daarmee ook het kwantumuniversum.

atomen
Traditioneel worden atomen gezien als dichte kernen, een mix van protonen en neutronen, omgeven door elektronen die in specifieke baanpaden bewegen. Dit beeld is in sommige omstandigheden nuttig, maar de volledige reeks kwantuminformatie gecodeerd in een atoom is veel rijker dan dit.Krediet: Annelisa Leinbach, Thomas Wright

BELANGRIJKSTE LEERPUNTEN

  • In veel opzichten is de zoektocht naar wat werkelijk fundamenteel is in ons universum het verhaal van het onderzoeken van het universum op kleinere schaal en met hogere energieën.
  • Door het atoom binnen te gaan, onthulden we de atoomkern, de protonen en neutronen waaruit het bestond, en de quarks en gluonen erin, plus vele andere spectaculaire kenmerken.
  • Het is door dit onderzoek van de subatomaire wereld dat we de elementaire bouwstenen van ons universum hebben onthuld en de regels die hen in staat stellen zich aan elkaar te binden om onze kosmische realiteit samen te stellen.

Als je de geheimen van het universum voor jezelf wilt ontdekken, hoef je alleen maar het universum te ondervragen totdat het de antwoorden onthult op een manier die jij kunt begrijpen. Wanneer twee energiekwanta op elkaar inwerken – ongeacht hun eigenschappen, inclusief of het deeltjes of antideeltjes zijn, massief of massaloos, fermionen of bosonen, enz. – heeft het resultaat van die interactie het potentieel om u te informeren over de onderliggende wetten en regels waaraan het systeem moet gehoorzamen. Als we alle mogelijke uitkomsten van welke interactie dan ook zouden kennen, inclusief wat hun relatieve kansen waren, dan en alleen dan zouden we beweren enig begrip te hebben van wat er aan de hand was. Juist op deze manier kwantitatief zijn en niet alleen vragen ‘wat er gebeurt’, maar ook ‘in welke mate’ en ‘hoe vaak’, is wat de natuurkunde tot de robuuste wetenschap maakt die ze is.

Het is heel verrassend dat alles wat we over het heelal weten, op de een of andere manier terug te voeren is op de meest bescheiden van alle entiteiten die we kennen: een atoom. Een atoom blijft de kleinste eenheid van materie die we kennen en die nog steeds de unieke kenmerken en eigenschappen behoudt die van toepassing zijn op de macroscopische wereld, inclusief de fysische en chemische eigenschappen van materie. En toch is een atoom in wezen een kwantumentiteit, met zijn eigen energieniveaus, eigenschappen en behoudswetten. Bovendien koppelt zelfs het eenvoudige atoom aan alle vier de bekende fundamentele krachten. Op een heel reële manier is de hele natuurkunde te zien, zelfs binnen één enkel atoom. Dit is wat ze ons kunnen vertellen over het heelal.

schaal van objecten in het heelal
Credit : Magdalena Kowalska/CERN/ISOLDE-team

Hier op aarde zijn er ongeveer 90 elementen die van nature voorkomen: overgebleven van de kosmische processen die ze hebben gecreëerd. Een element is in wezen een atoom, met een atoomkern die bestaat uit protonen en (mogelijk) neutronen en waar een aantal elektronen omheen draaien dat gelijk is aan het aantal protonen. Elk element heeft zijn eigen unieke reeks eigenschappen, waaronder:

  • hardheid,
  • kleur,
  • smelt- en kookpunten,
  • dichtheid (hoeveel massa een bepaald volume in beslag nam),
  • geleidbaarheid (hoe gemakkelijk de elektronen worden getransporteerd wanneer er spanning wordt aangelegd),
  • elektronegativiteit (hoe sterk de atoomkern elektronen vasthoudt wanneer gebonden aan andere atomen),
  • ionisatie-energie (hoeveel energie is nodig om een ​​elektron af te trappen),

en vele anderen. Het opmerkelijke aan atomen is dat er maar één eigenschap is die bepaalt welk type atoom je hebt (en dus wat deze eigenschappen zijn): het aantal protonen in de kern.

Gezien de diversiteit aan atomen die er zijn en de kwantumregels die de elektronen beheersen – identieke deeltjes – die rond de kern draaien, is het helemaal niet overdreven om te beweren dat alles onder de zon werkelijk, in een of andere vorm, uit atomen bestaat. .

grafeen atomen
Krediet : maximale pixel

Elk atoom, met zijn unieke aantal protonen in zijn kern, zal een unieke reeks bindingen vormen met andere atomen, waardoor een vrijwel onbeperkte reeks mogelijkheden mogelijk wordt gemaakt voor de soorten moleculen, ionen, zouten en grotere structuren die het kan vormen. Vooral door de elektromagnetische interactie zullen de subatomaire deeltjes waaruit atomen bestaan ​​krachten op elkaar uitoefenen, wat – als er voldoende tijd wordt gegeven – leidt tot de macroscopische structuren die we niet alleen op aarde waarnemen, maar overal in het heelal.

In de kern hebben atomen echter allemaal de eigenschap dat ze enorm groot zijn, wat ze met elkaar gemeen hebben. Hoe meer protonen en neutronen er in de atoomkern zitten, hoe massiever je atoom is. Hoewel dit kwantumentiteiten zijn, met een individueel atoom met een diameter van niet meer dan een enkele ångström, is er geen limiet aan het bereik van de zwaartekracht. Elk object met energie – inclusief de restenergie die deeltjes hun massa geeft – zal het weefsel van de ruimtetijd krommen volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie. Hoe klein de massa ook is, of hoe klein de afstandsschalen ook zijn waarmee we werken, de kromming van de ruimte veroorzaakt door een willekeurig aantal atomen, of het nu ~10 57 ( zoals in een ster), ~10 28 is(zoals bij een mens), of slechts één (zoals bij een heliumatoom), zal precies gebeuren zoals de regels van de algemene relativiteitstheorie voorspellen.

Krediet : Christopher Vitale van Networkologies en het Pratt Institute

Atomen zelf bestaan ​​ook uit meerdere verschillende soorten elektrisch geladen deeltjes. Protonen hebben een positieve elektrische lading die inherent aan hen is; neutronen zijn over het algemeen elektrisch neutraal; elektronen hebben een gelijke en tegengestelde lading als het proton. Alle protonen en neutronen zijn samengebonden in een atoomkern met een diameter van slechts een femtometer (~10-15 m ), terwijl de elektronen in een baan ronddraaien die zo’n 100.000 keer groter is (ongeveer ~10-10 m ). Elk elektron heeft zijn eigen unieke energieniveau, en elektronen kunnen alleen overgaan tussen deze afzonderlijke energietoestanden; geen andere overgangen zijn toegestaan.

Maar die specifieke beperkingen zijn alleen van toepassing op individuele, geïsoleerde, ongebonden atomen, wat niet de enige reeks voorwaarden is die van toepassing zijn op atomen in het hele universum.

Wanneer een atoom in de buurt komt van een ander atoom (of een groep atomen), kunnen die verschillende atomen met elkaar interageren. Op kwantumniveau kunnen de golffuncties van die meerdere atomen elkaar overlappen, waardoor atomen zich kunnen binden tot moleculen, ionen en zouten, waarbij deze gebonden structuren hun eigen unieke vormen en configuraties bezitten wat betreft hun elektronenwolken. Dienovereenkomstig nemen deze gebonden toestanden ook hun eigen unieke reeksen energieniveaus aan, die alleen fotonen (lichtdeeltjes) absorberen en uitzenden over een bepaalde reeks golflengten.

waterstofatoom-elektronenovergangen
Krediet : OrangeDog en Szdori/Wikimedia Commons

Deze elektronenovergangen binnen een atoom of groep atomen zijn uniek: specifiek voor het atoom of de configuratie van een groep van meerdere atomen. Wanneer je een reeks spectraallijnen van een atoom of molecuul detecteert (of het nu emissie- of absorptielijnen zijn, doet er niet toe) onthullen ze onmiddellijk naar welk type atoom of molecuul je kijkt. De interne overgangen die zijn toegestaan ​​voor de elektronen binnen dat gebonden systeem geven een unieke reeks energieniveaus, en de overgangen van die elektronen onthullen ondubbelzinnig welk type en configuratie van het atoom (of de verzameling atomen) je onderzoekt.

Waar dan ook in het heelal gehoorzamen atomen en moleculen aan dezelfde regels: de wetten van de klassieke en kwantumelektrodynamica, die elk geladen deeltje in het heelal beheersen. Zelfs binnen de atoomkern zelf, die intern is samengesteld uit (geladen) quarks en (ongeladen) gluonen, zijn de elektromagnetische krachten tussen deze geladen deeltjes enorm belangrijk. Deze interne structuur verklaart waarom het magnetische moment van een proton bijna drie keer zo groot is als het magnetische moment van het elektron (maar van tegengesteld teken), terwijl het neutron een magnetisch moment heeft dat bijna twee keer zo groot is als dat van het elektron, maar hetzelfde teken.

Kansdichtheid binnen één enkel atoom voor waterstof.
Credit : Visualisatie van alles wat met wetenschap te maken heeft/flickr

Hoewel de elektrische kracht een zeer groot bereik heeft – in feite hetzelfde oneindige bereik als de zwaartekracht – speelt het feit dat atomaire materie als geheel elektrisch neutraal is een enorm belangrijke rol bij het begrijpen van hoe het heelal dat we ervaren zich gedraagt. De elektromagnetische kracht is fantastisch groot, omdat twee protonen elkaar zullen afstoten met een kracht die ~10 36 keer groter is dan hun zwaartekracht!

Maar omdat er zoveel atomen zijn die deel uitmaken van de macroscopische objecten die we gewend zijn, en atomen zelf over het algemeen elektrisch neutraal zijn, merken we alleen elektromagnetische effecten wanneer:

  • iets heeft een netto lading, zoals een opgeladen elektroscoop,
  • wanneer ladingen van de ene locatie naar de andere stromen, zoals tijdens een blikseminslag,
  • of wanneer ladingen worden gescheiden, waardoor een elektrisch potentieel (of spanning) ontstaat, zoals in een batterij.

Een van de eenvoudigste en leukste voorbeelden hiervan is het wrijven van een opgeblazen ballon over je shirt en vervolgens proberen de ballon aan je haar of aan de muur te plakken. Dit werkt alleen omdat de overdracht of herverdeling van een klein aantal elektronen ervoor kan zorgen dat de effecten van een netto elektrische lading de zwaartekracht volledig overwinnen; deze  van der Waals-krachten  zijn intermoleculaire krachten, en zelfs objecten die over het algemeen neutraal blijven, kunnen elektromagnetische krachten uitoefenen die – over korte afstanden – zelf de kracht van de zwaartekracht kunnen overwinnen.

statische elektriciteit haar
Credit : Ken Bosma/flickr

Op zowel klassiek als kwantumniveau codeert een atoom een ​​enorme hoeveelheid informatie over de elektromagnetische interacties in het heelal, terwijl de ‘klassieke’ (niet-kwantum) algemene relativiteitstheorie volledig voldoende is om elke atomaire en subatomaire interactie te verklaren die we ooit hebben waargenomen. en gemeten. Als we ons echter nog verder in het atoom wagen, naar het binnenste van de protonen en neutronen in de atoomkern, kunnen we de aard en eigenschappen van de resterende fundamentele krachten gaan ontdekken: de sterke en zwakke kernkrachten.

Terwijl je naar ~femtometer (~10 -15m) schalen, zul je eerst de effecten van de sterke kernkracht gaan merken. Het verschijnt eerst tussen de verschillende nucleonen: de protonen en neutronen waaruit elke kern bestaat. Over het geheel genomen is er een elektrische kracht die ofwel afstoot (aangezien twee protonen beide een gelijke elektrische lading hebben) of nul is (aangezien neutronen geen netto lading hebben) tussen de verschillende nucleonen. Maar op zeer korte afstanden is er een nog sterkere kracht dan de elektromagnetische kracht: de sterke kernkracht, die tussen quarks ontstaat door de uitwisseling van gluonen. Gebonden structuren van quark-antiquark-paren – bekend als mesonen – kunnen worden uitgewisseld tussen verschillende protonen en neutronen, waardoor ze samen worden gebonden tot een kern en, als de configuratie goed is, de afstotende elektromagnetische kracht wordt overwonnen.

gluonen quarks protonen neutronen sterke kracht qcd
Krediet : Manishearth/Wikimedia Commons

Diep in deze atoomkernen is er echter een andere manifestatie van de sterke kracht: de individuele quarks binnenin wisselen voortdurend gluonen uit. Naast de zwaartekrachtladingen (massa) en de elektromagnetische (elektrische) ladingen die materie bezit, is er ook een soort lading die specifiek is voor de quarks en gluonen: een kleurlading. In plaats van altijd positief en aantrekkelijk te zijn (zoals de zwaartekracht) of negatief en positief, waarbij gelijke ladingen elkaar afstoten en tegenpolen elkaar aantrekken (zoals elektromagnetisme), zijn er drie onafhankelijke kleuren – rood, groen en blauw – en drie antikleuren. De enige toegestane combinatie is ‘kleurloos’, waarbij alle drie de kleuren (of antikleuren) gecombineerd zijn, of een netto kleurloze kleur-antikleurcombinatie is toegestaan.

Reis door het heelal met astrofysicus Ethan Siegel. Abonnees ontvangen elke zaterdag de nieuwsbrief. Iedereen aan boord!Velden gemarkeerd met een 

* zijn verplicht

De uitwisseling van gluonen, vooral wanneer quarks verder uit elkaar komen (en de kracht sterker wordt), is wat deze individuele protonen en neutronen bij elkaar houdt. Hoe hoger de energie waarmee je iets in deze subatomaire deeltjes slaat, hoe meer quarks (en antiquarks) en gluonen je effectief kunt zien: het is alsof de binnenkant van het proton gevuld is met een zee van deeltjes, en hoe harder je er tegenaan botst, hoe “plakkeriger” ze zich gedragen. Terwijl we naar de diepste, meest energetische diepten gaan die we ooit hebben onderzocht, zien we geen limiet aan de dichtheid van deze subatomaire deeltjes in elke atoomkern.

interne structuur van protonen
Krediet : Jim Pivarski/Fermilab/CMS-samenwerking

Maar niet elk atoom zal eeuwig blijven bestaan ​​in deze stabiele configuratie. Veel atomen zijn onstabiel tegen radioactief verval, wat betekent dat ze uiteindelijk een deeltje (of een reeks deeltjes) zullen uitspugen, waardoor het type atoom dat ze zijn fundamenteel verandert. Het meest voorkomende type radioactief verval is alfa-verval, waarbij een onstabiel atoom een ​​heliumkern uitspuugt met twee protonen en twee neutronen, die afhankelijk is van de sterke kracht. Maar het tweede meest voorkomende type is bètaverval, waarbij een atoom een ​​elektron en een anti-elektronenneutrino uitspuugt, en een van de neutronen in de kern tijdens het proces in een proton verandert.

Hiervoor is nog een andere nieuwe kracht nodig: de zwakke kernkracht. Deze kracht is afhankelijk van een geheel nieuw type lading: zwakke lading, die op zichzelf een combinatie is van  zwakke hyperlading  en  zwakke isospin . Het is enorm moeilijk gebleken om de zwakke lading te meten, omdat de zwakke kracht miljoenen keren kleiner is dan de sterke kracht of de elektromagnetische kracht, totdat je op buitengewoon kleine afstandsschalen komt, zoals 0,1% van de diameter van een proton. Met het juiste atoom, een atoom dat onstabiel is tegen bèta-verval, kan de zwakke interactie worden gezien, wat betekent dat alle vier de fundamentele krachten eenvoudigweg kunnen worden onderzocht door naar een atoom te kijken.

5 soorten radioactief verval
Krediet : CNX Chemistry, OpenStax/Wikimedia Commons

Dit houdt ook iets opmerkelijks in: dat als er een deeltje in het heelal is, zelfs als er een deeltje is dat we nog moeten ontdekken, dat via een van deze vier fundamentele krachten in wisselwerking staat, het ook met atomen zal interageren. We hebben een groot aantal deeltjes gedetecteerd, waaronder alle verschillende soorten neutrino’s en antineutrino’s, door hun interacties met de deeltjes die in het eenvoudige atoom worden aangetroffen. Hoewel het precies datgene is waaruit wij bestaan, is het in fundamentele zin ook ons ​​grootste inzicht in de ware aard van de materie.

Dit opmerkelijke verhaal, over het heelal dat bestaat en ontdekt kan worden in een atoom, is niet alleen het verhaal van hoe de mensheid ontdekte waaruit het heelal bestaat op de allerkleinste schaal; het is nu (let op: affiliate link volgt ) nu een verhaal waar iedereen – in samenwerking met deeltjesfysicus Laura Manenti en illustrator Francesca Cosanti – van kan genieten , ook voor kinderen van alle leeftijden.

Een klein meisje waagt zich in een enkel atoom.
Krediet : L. Manenti & E. Siegel, 2023

Hoe verder we binnen de bouwstenen van de materie kijken, hoe beter we de aard van het heelal zelf begrijpen. Van de manier waarop deze verschillende quanta samenbinden om het universum te vormen dat we waarnemen en meten, tot de onderliggende regels waaraan elk deeltje en antideeltje gehoorzaamt: we kunnen er alleen over leren door het universum te ondervragen dat we hebben. Dat is de sleutel tot de wetenschap: als je iets wilt weten over hoe het heelal werkt, onderzoek je het op een manier die het dwingt je over zichzelf te vertellen.

Zolang de wetenschap en technologie die we kunnen construeren, in staat is om dit verder te onderzoeken, zou het jammer zijn om de zoektocht op te geven, simpelweg omdat een nieuwe, paradigma-vernietigende ontdekking niet gegarandeerd is. De enige garantie waar we zeker van kunnen zijn is deze: als we niet dieper zoeken, zullen we helemaal niets vinden.

bron

(Help ons. Deel dit artikel a.u.b.)

Een gedachte over “Het hele kwantumuniversum bestaat binnen één enkel atoom

  • 27 september 2023 om 15:23
    Permalink

    Auguries of Innocence by William Blake,

    ‘To see a World in a Grain of Sand
    And a Heaven in a Wild Flower
    Hold Infinity in the palm of your hand
    And Eternity in an hour…..’

    Beantwoorden

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.

drie × 3 =

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.